Tecnologías emergentes basadas en óptica vegetal para diagnóstico nutricional agrícola

INTRODUCCIÓN

El uso de herramientas de bajo costo para la estimación de clorofila es hoy en día una necesidad debido al cada vez más pronunciado interés por el monitoreo fisiológico no destructivo en plantas. El contexto de esta tendencia es el auge de la agricultura de precisión, conservación y el seguimiento ecológico. La concentración de clorofila en las hojas se asocia con el estado nutricional de la planta, principalmente con el contenido de nitrógeno, el cual a su vez está relacionado con el crecimiento y el rendimiento fotosintético (Carmona Rojas et al., 2022). Esto ha permitido que los sistemas portátiles con los cuales se pueden obtener estimaciones rápidas de clorofila se convirtieran en una herramienta fundamental para investigadores, técnicos y productores.

Sin embargo, el alto costo de los instrumentos comerciales (Amigo y Grassi, 2020), como el SPAD 502 (Konica Minolta), el Dualex (Force-A) o el CCM-200 (Opti-Sciences), limita su uso generalizado, en particular, para las aplicaciones en países en vía de desarrollo y entre productores agrícolas de pequeña escala. Es aquí, donde, el desarrollo de dispositivos alternativos, accesibles y basados en tecnologías abiertas ha cobrado importancia como estrategia para democratizar el acceso a la tecnología y fomentar la agricultura sostenible. Para mejorar el acceso a estas tecnologías agrícolas avanzadas se deben producir y ajustar localmente estos sistemas, tomando como base la experiencia acumulada regionalmente o en lugares con economías más desarrolladas (Khanal et al., 2017), pero adoptando modelos de código abierto y desarrollo instrumentación local, que aceleren el acceso libre a herramientas tecnológicas por los sectores más vulnerables.

Varios estudios han reportado el diseño de sistemas de bajo costo basados en microcontroladores, sensores ópticos y carcasas impresas en 3D, que permiten estimar el contenido de clorofila mediante el análisis del color de las hojas o mediante la reflexión y transmisión de luz en bandas específicas del espectro visible (Padilla, F. M; et al., 2018, Uddling et al., 2007, Van Den Berg et al; 2004, Ospino-Villalba et al., 2024). Estos sistemas han mostrado correlaciones aceptables con mediciones obtenidas por dispositivos comerciales, especialmente bajo condiciones controladas. No obstante, persisten desafíos importantes relacionados con la calibración, la variabilidad ambiental, la precisión espectral y la validación en condiciones de campo (Brown, L et al; 2022).

Los efectos fisiológicos que ocurren en la relación entre la absorción de luz y la distribución intracelular de los cloroplastos, limitan el análisis de deficiencias nutricionales en las plantas y la toma de decisiones inmediatas basadas en características como la absorción de luz (Davis et al., 2011; Pavlovic et al., 2014) y por tanto el uso efectivo y ágil de los dispositivos de medición portable. Un ejemplo de estas limitaciones es la posible subestimación de la concentración de clorofila debido al efecto tamiz, donde la luz incidente atraviesa el tejido de la hoja sin encontrar un absorbente; o la sobrestimación de la concentración de clorofila debido al efecto desvío, causado por la reflectancia de la hoja en la longitud de onda de referencia del NIR (que suele ser alrededor de 900 nm en medidores de clorofila portátiles), la cual es mayor que la reflectancia de la hoja en la longitud de onda de absorción de la clorofila (650 nm) (Xiong et al., 2015). La distribución intracelular de los cloroplastos puede responder a cambios lumínicos ambientales de dos maneras básicas: la posición frontal o diastrophe, inducida por luz débil, que provoca una baja transmitancia de luz y una alta absorbancia; y la posición de perfil o parastrophe, inducida por luz intensa, donde los cloroplastos se encuentran en las paredes paralelas a la dirección de la luz, lo que ocasiona una alta transmitancia de luz y una baja absorbancia. Se cree que esta última posición protege a los cloroplastos de los efectos dañinos la luz a intensidades excesivamente altas (Tholen et al., 2008). Así es como todas esas condiciones de los cloroplastos podrían afectar mediciones basadas en paso o reflexión de bandas específicas de luz.

El enfoque de la experiencia que se presenta en esta oportunidad, pasa por la comprensión de herramientas promisorias para análisis de nutrientes de plantas en campo, con base en sus propiedades ópticas, que contribuyen significativamente al desarrollo de plataformas analíticas abiertas que pueden estimular el desarrollo local de instrumentos para análisis científico y técnico en el sector agropecuario en Colombia. Aquí se analiza un desarrollo instrumental emergente de código abierto para el diagnóstico del estado nutricional de cultivos que consiste en un accesorio impreso en 3D compatible con teléfonos inteligentes equipados con sensor de luz ambiental, que puede estimar la concentración relativa de clorofila (Ospino Villalba, K., 2024), de manera análoga al medidor SPAD-502 de Minolta o al método espectrofotométrico tradicional de laboratorio (Barnes et al., 1992).

1. EXPERIENCIA DE DISEÑO PARA ESTIMAR CLOROFILA EN PLANTAS: INICIATIVA DE BAJO COSTO CON PROYECCIÓN

En el grupo de investigación Sistemas Simbióticos de La Universidad nacional de Colombia- Sede Medellín se desarrolló un dispositivo óptico portátil basado en principios de transmisión de luz para la estimación de clorofila, de bajo costo, llamado: “Clorofilo”. Se analizó su funcionalidad, la consistencia de sus lecturas y aspectos que se deben perfeccionar. En el desarrollo se han identificado tres factores operativos desafiantes del instrumento, como son su dependencia del sensor de luz de teléfonos inteligentes, la necesidad de calibración de sus lecturas si se desea estimar concentraciones precisas de clorofila y finalmente, las necesidades de refinamiento del diseño.

2. VALIDACIÓN DE LA CAPACIDAD DE MEDICIÓN DE CLOROFILA DEL DISPOSITIVO ÓPTICO PORTÁTIL FRENTE A TECNOLOGÍAS CONVENCIONALES

Clorofilo, tiene potencial para estimar y modelar el contenido de clorofila foliar en diversas especies de plantas, incluso, para estimar la concentración de nitrógeno foliar en plantas de maíz, con un costo mínimo (Ospino Villalba, K., 2024).

Un modelo logarítmico construido con lecturas de cLux de Clorofilo, comparadas con los índices del medidor SPAD-502™ de Konica Minolta en 50 hojas de café, indicó una coincidencia confiable entre ambos índices (Ospino Villalba, K., 2024). Resultados semejantes se encontraron en estudios que verificaron el desempeño de medidores comerciales que usan principios ópticos similares como CCM-200™, atLEAF y SPAD-502™, que es el dispositivo estándar universal para mediciones relativas de clorofila (Markwell et al., 1995, Uddling et al., 2007).

Esto es posible, porque frente a una banda especifica de luz roja (663 nm) con intensidad fija, la proporción de trasmisión por una hoja normal depende principalmente de la concentración de clorofila en ella, y esto es explicado por la ley de Beer-Lambert, que describe matemáticamente el decaimiento de luz al atravesar un medio que la absorbe (Swinehart, 1962). Tanto Clorofilo, como SPAD funcionan bajo el mismo principio. La no linealidad de la relación entre índices del medidor SPAD-502™ y lecturas de cLux se debe a que la ecuación utilizada por el fabricante para expresar las unidades SPAD es de naturaleza logarítmica (Uddling et al., 2007).

Al igual que en los dispositivos comerciales mencionados, las mediciones de clorofila relativa con Clorofilo se ven afectadas por los fenómenos fisiológicos asociados a la distribución intracelular de los cloroplastos durante la exposición a la luz (Davis et al., 2011; Pavlovic et al., 2014), que pueden dar lugar a la subestimación derivada del sieve effect o la sobreestimación de la concentración de clorofila, también relacionada con el detour effect (Xiong et al., 2015).

Debido a esto, es importante diseñar experimentos controlados para detectar cambios diurnos en las mediciones de clorofila asociados a las fluctuaciones en la radiación ambiental, así como experimentos de fertilización controlada para estudiar cambios en las mediciones relacionados con la distribución celular de cloroplastos en estados de nitrógeno variados. Aunque este tipo de estudios ya se han abordado con medidores de clorofila comerciales (Martínez et al., 2004; Xiong et al., 2015), es valioso revisar este enfoque con el sistema Clorofilo, para ampliar la capacidad de generalización de los modelos matemáticos de estimación del contenido de clorofila foliar y comprender mejor las condiciones reales en las que, con los ajustes necesarios, se desplegaría en el futuro esta tecnología emergente.

CONCLUSIONES

Se diseñó y probó el dispositivo Clorofilo, el cual resultó viable para la estimación relativa de clorofila foliar. Su desempeño preliminar muestra potencial, aunque su efectividad en campo requiere mejoras de diseño, calibración específica por tipo de sensor y construcción con materiales más resistentes. Clorofilo posee el potencial de estimar y modelar el contenido de clorofila en las hojas de distintas especies vegetales e, incluso, permite estimar la concentración de nitrógeno foliar en plantas de maíz, todo ello con un costo muy bajo. El desarrollo continúa en la ruta de validación agronómica y robustecimiento instrumental para su futura estandarización y escalabilidad.